Jupiter

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Einleitung

Jupiter, größter Planet des Sonnensystems, der von der Sonne aus gesehen fünfte Planet nach Merkur, Venus, Erde und Mars. Der Planet ist nach Jupiter benannt, in der römischen Mythologie der Herrscher der Götter.

Jupiter hat ein 1 400-mal größeres Volumen als die Erde, aber eine nur 318-mal größere Masse; seine Dichte entspricht etwa einem Viertel der Dichte der Erde. Er besteht eher aus dichten Gasen als aus Metallen oder Gesteinen wie die Erde.

Jupiter ist durchschnittlich 5,2-mal so weit von der Sonne entfernt wie die Erde. Er umrundet die Sonne einmal in 11,9 Jahren und benötigt nur etwa 9,9 Stunden für eine Umdrehung um seine Achse. Wegen dieser schnellen Rotation ist er stark abgeplattet, d. h., sein Durchmesser ist am Äquator deutlich größer als an den Polen. Der Planet rotiert nicht gleichmäßig, sondern in verschiedenen Breiten (Abständen vom Äquator) unterschiedlich schnell: In Äquatornähe beträgt die Rotationsperiode etwa 9 Stunden und 50 Minuten, während sie in höheren Breiten bei 9 Stunden und 55 Minuten liegt. Das gestreifte Aussehen des Jupiters beruht auf starken atmosphärischen Strömungen, die unterschiedlich schnell fließen.

Ein besonderes Objekt der Jupiteratmosphäre ist der rötliche oder ockerfarbene ovale Große Rote Fleck, der 1665 mit Hilfe eines Teleskops entdeckt wurde. Der Große Rote Fleck ist ein gigantischer Wirbelsturm mit Windgeschwindigkeiten von bis zu 480 Kilometern pro Stunde und hat eine Fläche, die etwa der dreifachen Erdoberfläche entspricht. Seine Farben rühren von geringen Mengen chemischer Verbindungen her, die durch Einwirkung von Ultraviolettstrahlung, elektrischen Entladungen (Gewittern) und thermischer Energie entstanden. Westlich des Großen Flecks befindet sich ein zweites, etwa halb so großes Gebilde, das inzwischen als Kleiner Roter Fleck bezeichnet wird. Dieses Objekt ist ebenfalls ein Wirbelsturm und ging aus der Vereinigung dreier kleinerer Stürme in den Jahren 1998 und 2000 hervor. Aufnahmen des Hubble-Weltraumteleskops belegen, dass das anfangs weiße Gebilde seine Farbe 2006 in Rot geändert hat.

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Zusammensetzung, Aufbau und Magnetfeld

Einen enormen Fortschritt in der Erforschung des Planeten Jupiter ermöglichten 1979 die US-Raumsonden Voyager 1 und 2. Von der Erde aus angestellte spektroskopische Beobachtungen hatten zuvor gezeigt, dass der größte Teil der Jupiteratmosphäre aus molekularem Wasserstoff H₂ besteht, und zwar zu 87 Prozent, wie man dann aus den Infrarotaufnahmen der Raumsonden schließen konnte. Neben dem Wasserstoff enthält die Jupiteratmosphäre Helium, das den größten Teil der restlichen 13 Prozent ausmacht. Das Innere des Jupiters muss im Wesentlichen dieselbe Zusammensetzung haben wie seine Atmosphäre; das folgert man aus seiner geringen Dichte. Somit besteht dieser riesige Planet vor allem aus den beiden leichtesten und gleichzeitig im Weltraum häufigsten Elementen; seine Zusammensetzung ähnelt also derjenigen der Sonne oder anderer Sterne. Jupiter könnte also hervorgegangen sein aus der direkten Kondensation eines Teiles des ursprünglichen solaren Nebels, d. h. der großen Wolke aus interstellarem Gas und Staub, aus der sich vor rund 4,6 Milliarden Jahren das Sonnensystem bildete.

Der Aufprall von Bruchstücken des Kometen Shoemaker-Levy 9 im Juli 1994 brachte weitere Erkenntnisse. Die Einschläge erzeugten Turbulenzen in der Atmosphäre des Jupiters und erhitzten Gas in seinem Inneren, das an die Oberfläche stieg. Durch Teleskope auf der Erde und mit Hilfe von Raumsonden konnten zahlreiche Detailaufnahmen dieser Vorgänge gewonnen werden. Auf spektroskopischem Weg analysierte man die Gase, um genauere Aufschlüsse über die Beschaffenheit der Jupiteratmosphäre zu erhalten oder die bisherigen Kenntnisse zu bestätigen.

Jupiter strahlt etwa doppelt so viel Energie ab, wie er durch die Sonneneinstrahlung aufnimmt. Die Quelle dieser überschüssigen Energie ist vermutlich eine sehr langsame Kontraktion des Planeten aufgrund der Gravitationswirkung. Wäre Jupiter rund 100-mal größer, so hätte er genug Masse zum Zünden von Kernreaktionen, durch die die Energie in der Sonne und den Sternen erzeugt wird.

Jupiters turbulente, von Wolken durchsetzte Atmosphäre ist wegen der Energieabgabe kalt. Aufgrund des hohen Wasserstoffanteils enthält sie auch Wasserstoffverbindungen wie Methan, Ammoniak und Wasser. Periodische Temperaturschwankungen in der oberen Jupiteratmosphäre bewirken ein Muster von wechselnden Winden (ähnlich denen im äquatorialen Bereich der Erdatmosphäre). Photographische Aufnahmen der Wolkenänderungen deuten auf Entstehen und Verschwinden gigantischer Wirbelsturmsysteme hin, die ihre Energie aus kleineren Stürmen unterhalb der Wolkendecke beziehen.

Bei der niedrigen Temperatur in der oberen Jupiteratmosphäre (-125 °C) liegt Ammoniak in festem Zustand vor und bildet weiße „Zirruswolken”. In geringerer Höhe kann Ammoniumhydrogensulfid kondensieren. Die Wolken dieser Verbindung, gefärbt durch andere Verbindungen, könnten zu der verbreiteten gelbbraunen Wolkenschicht beitragen. Die Temperatur an deren Obergrenze beträgt rund -50 °C, und der atmosphärische Druck ist hier doppelt so hoch wie auf der Erde in Meereshöhe. Durch Lücken in der Wolkenschicht des Jupiters entweicht Strahlung in den Weltraum. Sie stammt aus einem Gebiet, in dem die Temperatur Werte von etwa 17 °C erreicht. Noch tiefer liegend entdeckte man mit Hilfe von Radioteleskopen wärmere Regionen, die die Wolken durchdringende Strahlung absorbieren.

Der Druck im Inneren des Jupiters könnte so hoch sein, dass der Wasserstoff zuerst flüssig geworden ist und dann einen metallähnlichen, elektrisch gut leitenden Zustand angenommen hat.

Jupiters Magnetfeld hat seinen Ursprung in diesen innersten Regionen. An seiner Oberfläche ist es 14-mal stärker als das Erdmagnetfeld. Dieses Magnetfeld ist für die gewaltigen Strahlungsgürtel verantwortlich; in ihnen sind geladene Teilchen eingeschlossen, die den Planeten in einem Abstand bis zu zehn Millionen Kilometern umrunden.

Jüngste Erkenntnisse über die Magnetosphäre des Jupiters lieferten die NASA-Sonden Galileo und Cassini, die Anfang 2001 gemeinsam den Gasplaneten umkreisten. Die Ausdehnung der Magnetosphäre wird – wie z. B. auch bei der Erde – durch den Druck des Sonnenwindes (siehe Sonne) beeinflusst. Die Magnetopause, also die Grenze, an der sich der äußere Druck des Sonnenwindes und der innere Druck der Magnetosphäre die Waage halten, zieht sich beim Auftreffen der Schockwellen (ausgelöst durch den Sonnenwind) zusammen. Ähnlich wie bei der Erde kommt es dabei zu verstärkten Radioemissionen und zu einem häufigeren Auftreten von Polarlichtern.

Anders als bei der Erde lösen bei Jupiter auch seine Monde Io, Ganymed und Europa Polarlichter in der Atmosphäre des Gasplaneten aus. Im Fall Io vermuten Wissenschaftler Partikel aus den starken vulkanischen Aktivitäten des Mondes als Ursache der Phänomene. Diese geladenen Teilchen reichern sich in der Atmosphäre des Trabanten an und geraten schließlich in das Magnetfeld von Jupiter. Die Satelliten Galileo und Cassini überlieferten Daten, denen zufolge die Partikel von Io sogar außerhalb des Einflusses von Jupiter zu finden sind und vom Sonnenwind mitgerissen werden. Im Fall von Ganymed und Europa ist die Ursache noch ungeklärt, zumal diese Jupitermonde nur dünne Atmosphären besitzen.

Es ist seit längerem bekannt, dass die Polarlichter auf dem Jupiter nicht nur aus UV-Strahlung, sondern zu einem geringen Anteil auch aus hochenergetischer Röntgenstrahlung bestehen. Jüngeren Daten des US-Röntgensatelliten Chandra zufolge stammen diese Röntgenemissionen aus unmittelbarer Nachbarschaft der Pole und werden offensichtlich nicht durch die Partikel von Io hervorgerufen. Als Auslöser für die Röntgenemissionen favorisieren Experten schwere geladene Teilchen aus dem Sonnenwind.

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Jupiters Monde und Ringe

Bis zum Frühjahr 2005 waren 48 Monde, von denen zehn noch nicht offiziell benannt wurden, und 15 mondähnliche Objekte bekannt, die den Jupiter umkreisen. Die Internationale Astronomische Union (IAU) prüft bei den mondähnlichen Objekten, von denen die meisten 2003 entdeckt wurden und Durchmesser zwischen zwei und acht Kilometern besitzen, ob sie wissenschaftlich als „Mond” bezeichnet werden dürfen. Die vier größten Jupitermonde wurden 1610 von Galileo Galilei entdeckt. Man benannte sie nach mythologischen Gestalten, und zwar nach den Geliebten des Göttervaters Jupiter (bzw. Zeus in der griechischen Götterwelt): Io, Europa, Ganymed und Callisto. Die später entdeckten Jupitermonde erhielten ihre Namen nach derselben Tradition. Neuere Beobachtungen ergaben, dass die mittleren Dichten der größten Monde demselben Trend folgen wie die Planetendichten im Sonnensystem. Die dem Jupiter nahen Monde Io und Europa haben eine hohe Dichte und bestehen aus Gestein (ähnlich den inneren Planeten im Sonnensystem). Ganymed und Callisto, in größerem Abstand vom Jupiter, bestehen weitgehend aus Wassereis und haben geringere Dichten.

3.1

Die vier großen Jupitersatelliten

Callisto ist beinahe so groß wie der Planet Merkur, und Ganymed ist größer als dieser. Die Eiskrusten beider Monde sind von zahlreichen Kratern übersät, den Spuren von Einschlägen. Wahrscheinlich prallten Kometenkerne auf, ähnlich dem Beschuss von Asteroiden, der auf dem Erdmond viele Krater hinterließ. Magnetfeldmessungen der Raumsonde Galileo haben Hinweise darauf geliefert, dass sich wie auf Europa (siehe unten) auch unter den Eispanzern von Callisto und Ganymed flüssiges Wasser befindet. Zudem konnten auf Ganymed hydrathaltige Salze spektroskopisch nachgewiesen werden, ein weiteres Indiz, das für flüssiges Wasser spricht.

Im Gegensatz zu Callisto und Ganymed ist die Oberfläche des Jupitermondes Europa sehr glatt. Offensichtlich ist er von einer mindestens 19 Kilometer dicken Schicht aus Wassereis überzogen. Das Wasser stieg wahrscheinlich nach der Epoche des Bombardements an die Oberfläche und bildete riesige kontinentale Eisplatten – unter dem Eis könnte sich eine Art Schneematsch oder sogar flüssiges Wasser befinden – Hinweise hierzu lieferte die Galileo 1998. Gestützt wird diese Annahme durch dunkle Spalten, die zwischen den Eisplatten erkennbar sind. Einer Hypothese zufolge schwimmen die Eisplatten auf dem möglicherweise flüssigen Wasser, ähnlich wie die Kontinentalplatten der Erde auf dem Erdmantel. Mit Hilfe eines Infrarotspektrometers an Bord der Sonde Galileo konnten Daten gesammelt werden, die auf Mineralien wie z. B. Magnesiumsulfate oder Natriumcarbonate schließen lassen. Im Inneren des Mondes befindet sich ein Kern aus Metall.

Einen weiteren Hinweis auf das Vorhandensein eines flüssigen Ozeans unter dem Eispanzer ergaben Untersuchungen mit dem an Bord von Galileo befindlichen Magnetometer. Die Daten, die Galileo Anfang Januar 2000 übertrug, belegen, dass das Magnetfeld des Mondes alle 5,5 Stunden seine Richtung ändert, und dass der magnetische Nordpol von Europa wandert. Ein derartiges Verhalten lässt den Schluss auf eine leitende Schicht in der Oberfläche des Mondes zu. Da Eis ein schlechter Leiter ist, könnte es sich bei der leitenden Schicht tatsächlich um einen mineralhaltigen flüssigen Ozean handeln.

Im Spätsommer 2003 waren die Energievorräte von Galileo weitgehend erschöpft. Unkontrolliert hätte die Raumsonde auf Europa stürzen und so die Oberfläche des Mondes verunreinigen können. Experten fürchteten im Kühlwasser der Sonde irdische Mikroben, die möglicherweise nicht vorhersehbare Schäden für außerirdisches Leben auf dem Jupitermond hätten anrichten können. Deshalb entschloss sich die NASA für einen kontrollierten Absturz von Galileo auf den Jupiter, der schließlich am 21. September 2003 erfolgte.

Bemerkenswert unter den Jupitermonden ist auch Io. Seine bizarr gezeichnete Oberfläche zeigt gelbliche, braune und weiße Gebiete sowie schwarze Teile. Mit mindestens 120 Vulkanen, von denen mehrere aktiv sind, ist Io der vulkanisch aktivste Himmelskörper des Sonnensystems. Ursache hierfür sind Gravitationseinwirkungen von Mond Europa und von Jupiter. Vor allem die Anziehungskräfte von Jupiter reißen stetig Partikel aus Ios Atmosphäre.

Man konnte den Ausbruch von zehn Vulkanen erkennen, als die Raumsonden Voyager 1979 den Planeten Jupiter passierten. Bei diesen vulkanischen Vorgängen tritt Schwefeldioxid (SO₂) aus und kondensiert an der Oberfläche, wobei sich eine örtlich begrenzte, nur vorübergehend existierende Atmosphäre bildet. Die weißen Gebiete auf dem Mond Io bestehen aus festem Schwefeldioxid, und die übrigen Farbflächen sind vermutlich auf andere Schwefelverbindungen zurückzuführen. Längs der Bahn von Io besteht ein Gasring in Form eines Torus. Er setzt sich aus positiv geladenen Sauerstoff- und Schwefelionen zusammen, die aus Vulkanausbrüchen des Mondes stammen.

Die Vulkanausbrüche auf Io sind im Vergleich zu denen auf der Erde gewaltig. So ereignete sich z. B. im Gebiet des Vulkans Surt im Februar 2001 einer der stärksten Ausbrüche, der bislang beobachtet wurde. Der Ausbruch fand auf einem Areal von rund 1 900 Quadratkilometern statt, also auf einer fast doppelt so großen Fläche wie Berlin. Die Vulkanausbrüche scheinen möglicherweise auch die Ursache für Leuchterscheinungen in der Atmosphäre über dem Nordpol des Jupiters zu sein. Dieses „Polarlicht” wurde erstmals im April 2001 mit Hilfe des Hubble-Weltraumteleskops beobachtet. Die Partikel werden von Jupiters starker Gravitation angezogen und bei der Wechselwirkung mit dem Magnetfeld des Planeten zum Leuchten angeregt.